EXAMENSARBETE. Signalfilter 3-150kHz för inkoppling mot elnätet

Transkript

1 EXAMENSARBETE 2009:010 HIP Signalfilter 3-150kHz för inkoppling mot elnätet Fredrik Haapalahti Luleå tekniska universitet Högskoleingenjörsprogrammet Elektronik Institutionen för LTU Skellefteå Avdelningen för Mobila nätverk och programutveckling 2009:010 HIP - ISSN: ISRN: LTU-HIP-EX--09/010--SE

2 Förord Examensarbetet är en avslutande del i utbildningen till högskoleingenjör inom elektronik på Luleå Tekniska Universitet. De praktiska delarna av arbetet är gjorda på Luleå Tekniska Universitet i Skellefteå på avdelningen elkraft. Jag vill tacka Anders Larsson, Martin Lundmark, Sarah Rönnberg och Math Bollen på LTU samt Mats Wahlberg på Skellefteå Kraft för all hjälp och stöd under arbetets gång. Jag vill också tacka min examinator Robert Brännström på LTU i Skellefteå för att jag fick möjlighet att göra mitt examensarbete inom detta intressanta område. Luleå Fredrik Haapalahti

3 Sammanfattning Det svenska elnätet är konstruerat för att transportera elenergi med frekvensen på 50 Hz mellan en generator och en last. När olika typer av modern elektronik ansluts till elnätet så bidrar dessa till högfrekventa signaler som adderas till 50 Hz komponenten som brus. Detta brus är ett problem för elnätsbolagen som tar emot elkvalitérelaterade klagomål. Ett ytterligare problem är den låga impedans som skapas på elnätet när laster med låg impedans kopplas in. Detta gör det svårt att kommunicera över elnätet på ett effektivt sätt. En del av bruset återfinns i frekvensområdet mellan 3 och 150 khz. För att simulera dessa högfrekventa signaler på ett någorlunda kontrollerat sätt i ett labbnät krävs ett filter. Filtret är nödvändigt för att inte förstöra signalgeneratorn som skickar ut dessa frekvenser mot elnätet. Arbetet som ligger till grund för rapporten går ut på att konstruera ett effektivt filter och ta reda på några av dess egenskaper. Fyra olika filter konstruerades, både som simuleringar i PSpice och i praktiken. De egenskaper som därefter mättes upp var filtrens respons både fristående och och med inkoppling mot elnätet. Samtidigt kunde även elnätets impedans vid olika frekvenser uppskattas med hjälp av ström samt spänningsmätning. Den sista mätningen blev en impedansmätning av själva filtret. Det vill säga filtrets impedans sett från elnätet. Det visade sig att tre av filtren hade mycket liknande egenskaper. Det första och det sista är de filter som lagts mest fokus på. Resultatet av de olika mätningarna visar en ganska god överrensstämmelse mellan simulerade och uppmätta värden på filtrens respons när filtret inte var inkopplat mor elnätet. Med filtret inkopplat till elnätet blev resultatet mer komplext. Det beror på de laster som redan finns på elnätet och som påverkar impedansen olika mycket vid olika frekvenser. Nätet som användes vid mätningarna är ett labbnät vid LTU/EMC on site. Vid ett visst frekvensspann gjorde resonans i nätet att responsen blev mycket högre än simulerat. Dessa frekvenser ligger ungefär i mitten av det uppmätta området med en topp vid 60 khz. Det som bör noteras är att det kan vara olika komponenter i olika anslutningspunkter i nätet som triggar resonans och därför gäller mätningarna bara ett visst nät vid en viss tidpunkt. Impedansen i nätet låg i området 4 Ω till 140 Ω. Impedansen i filtret uppskattades upp genom att skicka en signal bakvägen genom filtret och med hjälp av ett 50 Ω motstånd simulera en inkopplad spänningskälla. Resultatet visar på en impedans som är hög vid låga frekvenser och sjunker snabbt med ökad frekvens. Vid höga frekvenser är impedansen ungefär lika med spänningskällans impedans (50 Ω) parallellt med transformatorns höga impedans.

4 Abstract The Swedish electric grid is constructed to transport electric energy at a frequency of 50 Hz between generator and load. Different kind of modern equipment connected to the electric grid will contribute to the high frequent harmonics added to the 50 Hz component as noise. The noise is a problem to the electricity suppliers that handles electricity quality issues. Another problem is the low impedance through the electric grid created by connected loads with low impedance. That makes it difficult to communicate over the electric grid in an efficient way. Some of the noise is found in the frequency span between 3 and 150 khz. To be able to simulate the harmonics in a controlled way a filter is necessary. The filter is necessary to protect the signal generator This underlying work for this report is to construct a efficient filter and find out some of its properties. Four different filters were constructed, as simulations in PSpice and in practice. The measured properties are the filter response without connection to the electric grid and also connected to the electric grid. At the same time the impedance of the electric grid could be estimated by measuring current and voltage. The last measurement was a filter impedance measurement. That is the filters impedance seen from the electric grid. The measurements showed that three of the four filters had similar properties. The first and the fourth filter are the focus of the report. The results of the different measurements is showing a good congruence between simulations and measurements when the filter was disconnected from the grid. When connected to the electric grid there were a more complex result. The reason for that is loads already connected to the grid that affects the impedance different in different frequencies. The grid used in the measurements is a laboratory grid at LTU/EMC on site. At a certain frequency span resonance in the grid made the response larger than expected. These frequencies are in the middle of the measured frequency area and have a peak at 60 khz. Resonance may be triggered by components at different connection points in the grid and in different point in time. Because of that the measurements are only valid for a specific time and place. The impedance in the electric grid was between 4 to 140 Ω. The filters impedance was measured by sending a signal from the opposite side of the filter and using a 50 Ω resistance to simulate a connected source. The result showed a high impedance at the lower frequencies and a rapidly declining impedance when the frequency is rising. At higher frequencies the impedance is about the same as the source impedance (50 Ω) parallel with the transformers high impedance.

5 Innehåll Förord Sammanfattning Abstract Innehåll 1 Inledning Bakgrund Syfte Metod Arbetets upplägg Krav på filtret Galvanisk avskiljning Val av frekvensområde Dämpning av 50 Hz komponenten Dämpning och överföringsfunktion i passbandet Filtrets effekttålighet Elnätets impedans Filtrets komponenter Filtersimuleringar Simuleringar filter Simulering av filtrets respons Beräkning av uteffekt från filtret vid olika elnätsimpedans Simulering av filtrets impedans Simuleringar filter Mätningar av filter Svepning av filtren Mätningar på filter Mätningar på filter Mätning av transformatorns bottningsspänning Mätningar av elnätets impedans Tillvägagångssätt för att mäta nätimpedansen Praktiska mätningar...40

6 5 Resultat och slutsats Källförteckning...43 Appendix A...44 Appendix B...66 Appendix C...69

7 1 Inledning 1.1 Bakgrund Det svenska elnätet började byggas ut från småskaliga anläggningar i mitten av 1880 talet var Göteborg först med distribution till allmänheten. De tidiga anläggningarna användes till största delen för belysning och använde enfas växelström togs den första trefasanläggningen i bruk i Grängesberg, då med 70 Hz frekvens. Därefter byggdes kraftverk med både 25 och 50 Hz. Järnvägen skulle elektrifieras på talen och 15 Hz var den frekvens som används vid malmbanan via separat matning. Därför bestämdes att standardisera leveranserna till den fortsatta elektrifieringen till 16 2/3 Hz vilket uppnås genom att ta 1/3 av 50 Hz. Det samt att 50 Hz redan börjat användas i andra europeiska länder gjorde att 50 Hz så småningom blev en standard i Sverige. Spänningen har också varierat. För distributionen ut till kund användes först 190/110V för att därefter via några olika steg övergå till 380/220V. [1]. På senare tid har spänningen höjts något till 400/230V vilket nu också är europeisk standard [2]. Vissa tillämpningar använder elnätet som överföringsmedium för information. Ett exempel är elmätare som överför information från abonnenten till elleverantören om hur mycket el en abonnent förbrukat under en viss tidsperiod. Dessa kräver inte en hög datahastighet eftersom avläsning sker med ganska långa intervaller. Många elmätare kan därför dela på ett litet frekvensutrymme. Ett antal olika lösningar finns, det beror på hur respektive leverantör valt att implementera sin lösning. Här krävs att den data som skickas kan tas emot på ett ganska långt avstånd. Ett annat exempel är ett sätt att använda elnätet som en förlängning av ett trådbundet datanätverk (ethernet). Här krävs en hög dataöverföringshastighet och därför också en hög frekvens på det data som skickas. Denna lösning är tänkt att användas på ett begränsat avstånd, inom en byggnad och ansluts direkt till vägguttaget. Inom ett specificerat frekvensområde finns en standard framtagen för hur kommunikation över elnätet får gå till [3]. Detta frekvensområde ligger i frekvensbandet mellan 3 och 148,5 khz. Mellan 3 och 95 khz är signalering bara tillåten för elnätsbolagen och deras samarbetspartners. Däröver är kommunikation tillåten för övriga aktörer. I bandet mellan 125 och 140 khz krävs ett speciellt access protokoll för att kommunikation skall vara tillåten. Övertoner i elnätet är ofta multiplar av elnätets grundton 50 Hz. Det vill säga 100 Hz, 150 Hz och så vidare. Dessa lågfrekventa störningar definieras normalt upp till överton 40 vilket betyder ungefär 2 khz. Övertoner kan till exempel orsakas av moderna nätaggregat/spänningsomvandlare som inte har en sinusformad strömförbrukning [4]. Störningar med högre frekvenser, 3 khz till 95 khz kommer ofta från så kallad switchad utrustning.i det kommunikationsband som elnätsbolagen har tillstånd att använda (3 till 95 khz) hittar man ofta rester från switch-komponenter från switchade nätdelar, högfrekvent belysning, frekvensomriktare och UPS. Dessa rester skapar överlagrade ej önskvärda övertoner på 50 Hz komponenten. 1

8 1.2 Syfte Elnätsbolagen tar emot elkvalitérelaterade klagomål. Sedan introducerandet av elnätskommunikation tillsammans med modern utrustning har nya typer av problem uppstått. Här följer ett par exempel på problem som kan förekomma inom de nämnda frekvensområdena i avsnitt 1.1. Frekvensområdet används bland annat för datakommunikation via elnätet vid automatisk avläsning av elmätare. Elmätarens kommunikation kan både störas och bli störd av annan ansluten utrustning. Ett exempel är en elmätare i en skola där kommunikationen mellan elmätaren och koncentratorn inte fungerade. Undersökningen visade att en datorserver i kombination med högfrekvent belysning(lysrör) skapade högfrekventa störningar på en specifik fas i elnätet. För att avhjälpa detta flyttades servern till en annan fas. Störningarna på kommunikationen blev då betydligt mindre. I ett annat exempel hade en person problem med ett högfrekvent ljud från sin TV nattetid. Problemet visade sig vara kommunikationen mellan elmätaren och koncentratorn på frekvensen 12,5kHz. Denna frekvens togs upp av TV:n och ligger inom det hörbara spektrumet för människor [5],[6],[7]. Ytterligare problem för elnätsbolagen är att laster med låg impedans som kopplas in på nätet gör nätimpedansen mycket låg. Detta försvårar den signalering som görs vid datakommunikation över elnätet eftersom signalen dämpas av den låga impedansen. En artikel som belyser detta problem [8] visar att detta är ett verkligt problem. Syftet med det här arbetet är att bygga och testa ett filter. Filtret skall kunna användas för envägkommunikation från en signalförstärkare och ut på elnätet. Detta skall kunna användas till att injicera valfria eller uppmätta verkliga signaler på elnätet. Filtret ska testas för frekvenser upp till 150 khz eftersom användning av frekvenser upp till 148,5 khz i elnätet finns specificerade i en europeisk standard [3], se avsnitt 1.1. Det görs för att ha möjlighet att simulera verkligheten i labb och kunna hitta åtgärder på de problem som mämnts i kapitel 1.1. Dessutom kommer filtret att användas för att ta reda på elnätets impedans vid olika frekvenser i en viss elnätsnod. 1.3 Metod Signalerna skall kunna varieras från 3 khz eller så låga frekvenser som i praktiken är möjliga upp till 150 khz. De signaler som skickas bör ha en effekt på upp till några tiotals watt och förstärks med hjälp av en signalförstärkare. Eftersom elnätet i Sverige har en nätspänning på 230 V och frekvensen 50 Hz så krävs ett filter för att filtrera bort denna komponent så den inte förstör filtret. Filtret måste också galvaniskt avskilja elnätet från signalförstärkaren för att uppnå en bättre person och apparatsäkerhet. Detta kommer att göras med hjälp av en HF-transformator. Fig. 1.1 visar en schematisk bild av filtrets placering i kedjan. 2

9 Fig. 1.1: Schematisk skiss filterinkoppling. Som utgångsläge kommer ett filter med galvanisk isolation enligt schema från Echelon att användas, dock med några modifikationer. Först skall detta simuleras i Pspice för att kontrollera funktionen i teorin. Därefter kommer filtret att byggas i praktiken. För att skapa ett filter som är bättre anpassat till sitt syfte så kommer försök göras att förbättra det ursprungliga filtret genom att filterkomponenterna anpassas Arbetets upplägg Filtret som tagits fram är tänkt att användas för att skicka signaler ut på elnätet och behöver därför inte konstrueras för tvåvägskommunikation. Det exempel på filter som ligger till grund för rapporten är hämtat från Echolon [9] och är konstruerat för tvåvägskommunikation. Det har därmed möjligheten att både sända och ta emot data. Enbart de komponenter som har påverkan på sändardelen har tagits med i detta arbete. Filtret består av ett antal standardkomponenter samt transformator. Standardkomponenterna är resistorer, spolar och kondensatorer. För att få en fingervisning om komponenternas värden och på vilket sätt filtret bör konstrueras i teorin så har ett ett antal simuleringar gjorts. Simuleringarna har utförts dels utifrån en något modifierad existerande lösning som beskrivs av Echelon och dels utifrån förändringar av denna. Det simuleringsverktyg som används är Orcad/PSpice version 9.2 lite edition. Denna version av PSpice är något begränsad och innehåller ett begränsat antal färdiga modeller. Eftersom ingen exakt modell av transformatorerna finns i PSpice har en modell skapats med värden som ligger så nära de verkliga som möjligt. I simuleringsverktyget finns möjlighet att koppla upp en virtuell krets med valfria värden på komponenterna. För att simulera kretsen i ett förutbestämt tids eller frekvensfönster används det simuleringsverktyg som PSpice tillhandahåller. Simuleringen består av insvängningsförloppet för 3

10 filtret när det ansluts till elnätet. Den beskriver också filtrets respons i decibel vilket är viktigt för att filtret ska fungera som tänkt. Ett antal mätningar har först gjorts i teorin. Dessa överfördes sedan till praktiken genom att filtret byggts med hjälp av lämpliga komponenter. Transformatorer beställdes från Precision Components Inc i U.S.A. Övriga komponenter är standardkomponenter som beställs från ELFA inför det praktiska arbetet. Komponenterna valdes ut med tanke på den ström, spänning och effekttålighet de behöver vara konstruerade för. För att utföra testerna av filtret krävs en tongenerator och en signalförstärkare samt utrustning för att mäta på filtret. Denna utrustning finns i labbet på LTU/EMC on Site. Mätningar gjordes på olika frekvenser inom det specificerade området 3 khz till 150 khz. Det verkliga resultatet jämfördes därefter med det teoretiska resultatet. Tanken var att konstruera ett filter som fungerar så bra som möjligt i det specificerade frekvensområdet. Som utgångspunkt användes det tidigare nämnda filtret. För att uppnå bättre filteregenskaper så gjordes försök att skapa ett bättre anpassat filter med standardkomponenter. Vilka komponenter som behövdes fick de teoretiska simuleringarna och förbättringarna visa. Eftersom det är svårt att konstruera ett filter som fungerar tillfredsställande från så låga frekvenser som 3 khz så har den gränsen flyttas uppåt något. Se kapitel 3. Det viktiga var att hitta ett filter som har en frekvensgång som är känd för en viss impedans. Dessutom med en så jämn frekvensgång som möjligt för flera olika värden på elnätets impedans. I och med detta skapades ytterligare tre filter. Det första testet var ett test med signalförstärkare inkopplad mot respektive filter och en viss impedans inkopplad på utgången för att simulera en viss impedans i elnätet. Detta test gjordes för att säkerställa filtrets egenskaper. Med hjälp av oscilloskop mättes spänningen på utgången upp och filtrets respons kunde därigenom beräknas precis som i simuleringen. Dessa resultat kunde därefter jämföras. Testerna utfördes vid ett antal olika impedanser för att åskådliggöra skillnaderna. När testerna av filtren var klara gjordes mätningar mot elnätet. Elnätets impedans kan variera ganska kraftigt beroende på den frekvens där mätningen utförs. Det kan därför svårt att få fram en graf som beskriver hur responsen ser ut för filtret över hela frekvensspektrumet vid en viss impedans. En jämförelse kan istället göras mellan det värden på responsen som fås fram med filtret inkopplat mot elnätet och motsvarande värde i de mätningar som gjorts utan elnätet inkopplat. När dessa mätningar var klara så finns en annan intressant egenskap som också mättes upp och det är impedansen i filtret sett från elnätet. Impedansen mättes genom att svepa igenom frekvenserna 3 till 150 khz från elnätssidan samt även göra ett antal test med 50 Hz komponenten vid olika spänningsnivåer. Om filtrets impedans är låg så kommer det att dämpa de signaler som redan finns på nätet. Se avsnitt 4 för mer detaljerad beskrivning av nätimpedansen. 4

11 1.4 Krav på filtret Den nätspänning elnätet har är hög och kan vid direktverkan vara mycket farlig för människor och skadlig för elektronisk utrustning. Ett krav som finns är därför att galvaniskt avskilja elnätet från signalgeneratorn/signalförstärkaren Galvanisk avskiljning Galvanisk avskiljning betyder att ingen ström flyter mellan primär och sekundärsidan i filtret [10]. Primärsidan är i detta fall den sidan som är ihopkopplad med signalgenerator och signalförstärkare. Sekundärsidan är ihopkopplad med elnätet. En transformator kan sägas vara en galvanisk avskiljare. I detta fall används den eftersom en galvanisk avskiljning mellan elnätet och signalgeneratorn är ett krav (se förutsättningar). På grund av denna avskiljning behöver jordpunkterna inte vara ihopkopplade Val av frekvensområde Som tidigare nämnt i kap 1.1 finns en standard för frekvensområdet 3 khz till 148,5 khz framtaget där datakommunikation kan ske. Det är också det område där störst andel störningar från olika typer av nätansluten utrustning finns. Frekvensområdet är därför valt från 3 khz och upp till 150 khz som täcker in hela detta området Dämpning av 50 Hz komponenten Filtret som skapas har direkt anslutning till elnätet. Det är därför viktigt att filtrets komponenter samt övrig ansluten utrustning är skyddade från den höga nätspänningen.därför finns ett krav på en kondensator som dämpar/spärrar den lågfrekventa 50 Hz komponenten från att komma in i filtret Dämpning och överföringsfunktion i passbandet Passbandet för filtret är som nämnt i avsnitt mellan 3 khz och 150 khz. Eftersom det är önskvärt att så mycket som möjligt av den signal som skickas in i filtret också kommer ut på elnätet så bör filtret dämpa signalen så lite som möjlig i detta frekvensband Kvoten mellan Utsignalen/insignalen skall vara så nära 1 som möjligt. Resultatet beror till viss del på de komponenter som används för att konstruera filtret. Önskvärt är även en linjär överföringsfunktion. Det betyder att denna kvot helst skall vara lika eller åtminstonde ungefär lika genom hela 5

12 frekvensspektrat. Det gör signalleringen enklare eftersom samma effekt kan skickas in och ut i/ur filtret oavsett frekvens Filtrets effekttålighet Filtret bör tåla en viss effekt beroende på dess användningsområde. Om en hög effekt skall skickas igenom filtret så krävs att dess komponenter också är dimensionerade för detta. Hur hög effekt som behövs beror på den dämpning filtret har Elnätets impedans Elnätets impedans är som beskrivet i avsnitt 1.1 viktig för att signallering skall fungera tillfredställande. Därför är det intressant att ta reda på denna impedans i samband med mätningarna på filtret för att på så sätt se hur filtret fungerar vid en viss impedans. Dock är denna impedans svår att veta i förväg på grund av elnätets komplexitet med många anslutna laster Filtrets komponenter Filtrets komponenter bör vara anpassat efter den belastning de olika komponenterna får vid en viss uteffekt från signalförstärkaren. Den ström och spänning som kommer att belasta dem i verkligheten bör användas som ett mått för att beställa lämpliga komponenter. Det beror i sin tur på hur mycket effekt som användaren av filtret är i behov av att skicka ut på elnätet. En viss säkerhetsmarginal bör alltid läggas till eftersom den ström och spänning som kommer att belasta komponenterna i teori och praktik kan skilja sig åt. 6

13 2 Filtersimuleringar Som nämnts i kap skapades fyra olika filter. Dessa konstruerades både i simuleringar och i praktiken. Det första med utgångspunkt i [9] - Chapter 4 - Example 4, Line-to-Earth (L-E) Transformer-Isolated Coupling Circuit. De tre övriga filtren är konstruerade utifrån modifikationer och förändring för att göra konstruktionen bättre ur vårat perspektiv. Eftersom filtrer 1,2 och 3 visade sig ha egenskaper som är relativt likvärdiga och filter 4 hade avvikande egenskaper så kommer enbart filter 1 och 4 att redovisas i detta kapitel. Filter 2 och 3 finns redovisade i appendix A. De filter som simuleras har en transformator för att skapa galvanisk isolation (se avsnitt ovan) och kan därför sägas ha en primär och en sekundärsida enligt Fig Filterkomponenter Filterkomponenter TX1 10Vac V1 VAMPL = 230V FREQ = 50Hz V2 Primärsida Sekundärsida 0 0 Fig. 2.1: Principskiss på filtrets primär och sekundärsida Transformatorn som är gemensam för alla de simulerade filtren ryms mellan punkterna T1 på primärsidan och T2 på sekundärsidan och har värdet 1 mh på vardera lindning. Värdet på lindningen syns inte i kopplingsschemat. Läckinduktansen är 12 µh och DC resistansen 0,12 Ω. Transformatorn har beteckningen och tillverkas av Precision Components INC, se Fig Simuleringar har även gjorts med en annan transformator G men eftersom dessa var i stort sett identiska så har den förstnämnda transformatorn valts i följande persentation. Fig. 2.2: Transformatormodell 7

14 Signalgeneratorn Fig. 2.3 med dess källimpedans visas här som en variabel spänningskälla som kan svepas genom frekvensbandet 3kHz till 150kHz Källimpedansen har valts till 50 Ω eftersom den signalgenerator som använts i de praktiska mätningarna har denna impedans, se kapitel 3. Fig. 2.3: Signalgenerator 2.1 Simuleringar filter 1 Filtrerspecifikationen beskrivs i [9]. Filtret är något modifierad i denna simulering se Fig V2 är elnätets 50 Hz komponent med ett toppvärde på 325 V. Kondensatorn C2 behövs som en barriär för att hålla elnätets lågfrekventa (50 Hz) komponent utanför filtret. Resonansfrekvensen i en LC krets: 1 2 L C Filtrets har en resonansfrekvens (L1+L2+LTX1,C1) => In 10Vac 0Vdc V3 R2 C1 L u 2 27uH T1 R3 L uH TX1 1 4,94 khz 2 1,039 m 1 µ R T2 C2 Ut 0.033u R1 1000k 0 V2 VOFF = 0 VAMPL = 325 FREQ = 50 0 Fig. 2.4: Signalfilter 1 I Fig. 2.5 kan avläsas hur mycket spänning som passerar bakvägen från elnätet. Toppvärdet den första millisekunden överstiger inte 170 mv vilket kan anses godkänt. Därefter avtar spänningen till 8

15 nära noll efter ungefär 0,2 ms. Det är viktigt att spänningen i punkten inte blir för hög eftersom den då kan förstöra filtrets komponenter. Fig. 2.5: Spänningen vid transformatorns sekundärsida (T2) under första millisekunden efter inkoppling av nätspänningen Simulering av filtrets respons För att det ska vara möjligt att simulera i frekvensdomänen måste elnätets 50 Hz komponent avlägsnas från simuleringen, se Fig Detta är nödvändigt eftersom ett frekvenssvep enbart kan göras med en spänningskälla eller strömkälla i kretsen. Frekvensgången i filtret beräknas som decibelvärdet av punkterna Ut/In. Det vill säga resterande spänning vid utgången mot elnätet dividerat med förstärkarens inställda värde. Decibelvärdet beräknas som 20* log10 (Ut/In). 9

16 In 10Vac 0Vdc V3 R2 C1 50 1u 1 L1 2 R3 T1 27uH L2 2 TX1 12uH R T2 C2 Ut 0.033u R1 1000k 0 0 Fig. 2.6: Filter 1 utan inkopplad 50Hz. När källimpedansen är 1 Ω har den en mycket liten påverkan på utsignalen. Se Fig Här bildas en spik på 4,94 khz vilken är lika med resonansfrekvensen. Denna graf har tagits med som en jämförelse för att se hur responsen ser ut om signalgeneratorns impedans är mycket låg. Den är även intressant för att få en uppfattning om de resonansfrekvenser som finns i filtret. Eftersom signalgeneratorn och signalförstärkaren som används i de praktiska testerna har en impedans på ca 50 Ω så är det intressant att se responsen vid dessa förutsättningar också. Fig. 2.7: Filtrets respons i db om källimpedansen R2 sätts till 1 Ω. Responsen vid 50 Ω källimpedans Fig. 2.8 är linjärt stigande för lägre frekvenser. För högre frekvenser (15 khz och uppåt) är den ungefär 0,5 db. Här har elnätets impedans inte räknats med. Med det menas ett avbrott i kretsen mot elnätet. Motståndet R1 som är 1000 kω och ligger parallellt 10

17 med inkopplingen mot elnätet kan räknas som ett avbrott. Det betyder att ingen belastning finns på elnätssidan. För att se vad som händer när impedansen på elnätsidan förändras utförs simuleringar med R1 = 10000, 1000, 100, 10 och 2,4 Ω. I samtliga fall används källimpedansen 50 Ω. Fig. 2.8: Filtrets respons i db med 50 Ω källimpedans. 11

18 Fig. 2.9: R1 = 10 kω. Ingen nämnvärd skillnad jämfört med R1= 1000 kω. I Fig syns en tydlig skillnad, de lägre frekvenserna tappar i effekt vid utgången på grund av den lägre impedansen på utgången. 12

19 Fig. 2.10: R1 = 1000 Ω. Vid 100 Ω elnätsimpedans (Fig. 2.11) är skillnaden i respons ungefär 10d B mellan 150 khz och 10 khz. Även högsta nivån på utsignalen har sjunkit cirka 3 db. 13

20 Fig. 2.11: R1=100 Ω. I Fig talar resultatet för sig själv. Dämpningen blir mycket hög i det lägre frekvensområdet. Det krävs därför mycket effekt från signalförstärkaren om utsignalen skall vara användbar. Dessutom blir skillnaden i utsignal mellan låga frekvenser och höga frekvenser väldigt stor. Detta beror på den låga impedansen i elnätet. 14

21 Fig. 2.12: R1 = 10 Ω. I Fig är den enda skillnaden mot Fig den lägre signalnivån, i övrigt är kurvan i stort sett densamma. 15

22 Fig. 2.13: R1 = 2,4 Ω Beräkning av uteffekt från filtret vid olika elnätsimpedans En beräkning av effekten ut från filter1 har gjorts för att visa vad skillnaden blir med olika elnätsimpedans och frekvens. Beräkningarna finns i Appendix B. Resultatet visar att utteffekten alltid är större vid den högre frekvensen 150 khz än vid 3 khz om elnätets impedans är lika stor vid båda dessa frekvenser. Skillnaden är dock störst vid låg impedans Simulering av filtrets impedans Filtrets impedans sett från elnätsidan varierar beroende på frekvensen som elnätet innehåller. En låg impedans betyder att stor del av elnätets 50 Hz komponent tas upp av filtret vilket inte är optimalt då det bara är konstruerat för att skicka data ut på elnätet. En låg impedans betyder att strömmen blir hög genom filtrets komponenter och kan skada dessa. Det är därför viktigt att ta reda på impedansen för olika frekvenser och vilken impedans 50 Hz komponenten får i filtret. En annan intressant fråga är om denna impedans varierar med spänningsnivån. Eftersom en mätning av impedansen med inkopplad signalförstärkare på filtersidan är svår att utföra så ersätts denna av en impedans. 16

23 Den impedans som filtret har sett från elnätsidan simuleras här genom att signalgeneratorn på filtrets primärsida ersätts med en kortslutning och en spänningskälla med variabel frekvens ansluts på elnätsidan, se Fig Impedansen kan då beräknas genom att dela spänningen Ut med strömmen genom C2. Eftersom motståndet som ligger parallellt över sekundärsidan (R1) är stort så är strömmen genom detta försumbar. In R2 C1 50 1u 1 L1 2 27uH T1 R L2 12uH 2 TX1 R T2 C2 Ut 0.033u R1 1000k 0 V1 10Vac 0Vdc 0 Fig. 2.14: Impedansmätning filter 1 I Fig kan avläsas att impedansen blir hög vid låga frekvenser men avtar snabbt när frekvensen ökar. Vid 150 khz så ligger den på 47 Ω vilket är något lägre än källimpedansen. Det tyder på att impedansen genom transformatorn är relativt hög (50 Ω 1000 Ω => 47,6 Ω) Impedansen vid 50 Hz ligger på 96,5 kω. Om källimpedansen istället sätts till 100 Ω så blir impedansen vid 150 khz 93 Ω. Vilket också tyder på att impedansen genom transformatorn är relativt hög vid denna frekvens (100 Ω 1200 Ω => 92,3 Ω ). 17

24 Fig. 2.15: Impedansen i filter Simuleringar filter 4 Filter 4 i Fig har ett högre värde på kondensatorn C2 som spärrar 50 Hz komponenten från att ta sig in i filtret. Detta är gjort medvetet för att dämpningen i passbandet inte skall bli lika stor som för filter 1 vid låg impedans på elnätet. Detta måste dock avvägas så inte allt för hög spänning tar sig bakvägen in i filtret och förstör komponenterna. Vilken avvägning som kan göras beror på vilka komponenter som används i filtret och hur mycket dessa tål att belastas. 18

25 C1 R u T1 1 L2 R4 2 12uH 0.12 T2 C2 Ut 0.33u TX1 R1 R3 V2 1000k 50 VOFF = 0 VAMPL = 325 FREQ = 50 In 10Vac 0Vdc V1 0 0 Fig. 2.16: Signalfilter 4 Filtrets har resonansfrekvensen (L2,LTX1,C1) => 1 3,23 khz 2 1,012 m 2,4 µ Här har en anpassning av impedanserna gjorts för att minimera den reaktiva impedansen vid 3kHz och därmed också förlusten i komponenterna. ZC1= j , ZL2= j j22,10 Ω j0,22 Ω ZTX1= j j18,84 Ω Total reaktiv impedans: -22,10+0,22+18,84 = -j3,04 Ω Toppvärdet på den spänning som passerar bakvägen in i filtret från elnätet ligger på ungefär 1V (Fig. 2.17). Eftersom värdet på C2 är större än tidigare så släpps en något större spänning igenom kondensatorn från elnätet. Det ska dock inte ha någon avgörande betydelse eftersom förloppet är kort och spänningen är för låg för att förstöra filtret. 19

26 Fig. 2.17: Spänningen vid transformatorns sekundärsida (T2) under första millisekunden efter inkoppling av nätspänningen. Med borttagen nätspänning för mätning av filtrets frekvensgång vid 1000 Ω nätimpedans (Fig. 2.18). Här görs enbart mätningar med källimpedansen 50 Ω eftersom det är mest realistiskt i praktiken. C4 2.4u R T1 1 L2 R4 2 12uH 0.12 T2 C2 Ut 0.33u TX1 R3 R1 50 In 10Vac 0Vdc 1000 V1 0 0 Fig. 2.18: Filter 4 utan inkopplad 50 Hz. 20

27 Fig. 2.19: R1=1000 Ω Fig. 2.20: R1=100 Ω 21

28 Fig. 2.21: R1=10 Ω Signalnivån sjunker med lägre nätimpedans. Signalnivåskillnaden i området 10 khz till 150 khz blir dock lägre. 0,4 db vid 10 Ω jämfört med 1,4 db vid 1000 Ω (Fig 2.21 och Fig 2.19). Det visar att filtret i teorin är bättre anpassat för en lägre elnätsimpedans än filter 1. 22

29 Fig. 2.22: R1=2,4 Ω Elnätets 50 Hz komponent har i detta fall i Fig ersatts med en spänningskälla med varierbar frekvens. Detta för att ta reda på om övertoner i elnätet kan påverka filtret negativt. Kurvan visar att så inte verkar vara fallet. Alla frekvenser under 1 khz ligger på < -41 db. 23

30 Fig. 2.23: Filter 4. Respons när ett frekvenssvep görs bakvägen db(in/ut). Den impedans som filtret har sett från elnätsidan simuleras här genom att signalgeneratorn på filtrets primärsida ersätts med en kortslutning och en spänningskälla med variabel frekvens ansluts på elnätsidan precis som för filter 1, se Fig C1 2.4u T1 R5 L R4 2 12uH 0.12 T2 C2 Ut 0.33u TX1 R1 R3 1000k 50 V2 VOFF = 0 VAMPL = 325 FREQ = 50 In 0 0 Fig. 2.24: Impedansmätning filter 4. Impedansen minskar med ökad frekvens fram till 11 khz, se Fig Vid 11 khz får den ett minimum på 42 Ω. Därefter ökar den något. Vid 150 khz är impedansen 50 Ω vilket är lika med 24

31 källimpedansen. Alltså även här en hög impedans genom transformatorn vid den högre frekvensen precis som i filter 1. Impedansen vid 50Hz ligger på 9,6 kω (ej med i grafen). Fig. 2.25: Impedansen i filter 4. 25

32 3 Mätningar av filter Inför den praktiska filtermätningen behövdes ett antal komponenter. Transformatorer beställdes från Precision Components INC. Övriga filterkomponenter beställdes från ELFA. Komponentlista samt specifikation av den utrustning som användes vid mätningarna finns i Appendix C. 3.1 Svepning av filtren De praktiska mätningarna gjordes vid ett antal frekvenser mellan 3 och 150 khz. Först testades filtren utan inkoppling mot elnätet. En låg impedans på elnätet är det mest sannolika scenariot. Därför mättes responsen på fem olika impedanser: 2,4 Ω, 10,4 Ω, 50 Ω, 100 Ω, 1 kω som kopplades som en last över utgången som en simulerad elnätsimpedans. Mätningarna gjordes på samma sätt som i simuleringen. En signalgenerator anslöts på ingången (primärsidan). Därefter mättes spänningen på in och utgången upp med oscilloskop för att ta reda på filtrets respons. Fig. 3.1: Filter 1 i de praktiska mätningarna. 26

33 När överföringsfunktionen blivit uppmätta i praktiken så gjordes en inkoppling av filtren mot elnätet. Det oscilloskop som användes för mätningarna är inte anpassat för en så hög spänning som 325 V toppvärde. Därför krävdes ett filter när mätningen av signalen på elnätsidan skulle göras. Filtret är ett aktivt filter (spänningsprobe) som dämpar 50 Hz komponenten 200 gånger och förstärker samtidigt de högre frekvenserna ca 10 ggr. (Uppmätt värde på förstärkningen är ungefär 19,3 db vid 60 khz.) De värden som mättes upp var: - Signalen ut från tongeneratorn/signalförstärkaren och in i filtret. - Spänningen ut på elnätet. Detta genom att välja rätt upplösning på signalen i oscilloskopet och mäta den överlagrade signalen på elnätets 50 Hz för respektive frekvens som skickas ut genom filtret. - Strömmen ut genom filtret. För denna mätning användes en strömprobe som ger en spänning på 0.1 V/A och därför är lätt att avläsa via oscilloskop och därefter konvertera till rätt strömvärde. En känd ström och spänningen på utgången betyder att impedansen kan räknas ut. Filtrets respons bestämdes på samma sätt som i föregående mätning. Filtrets impedans är även i praktiken precis som i simuleringen med PSpice svår att mäta med inkopplad signalgenerator. Signalgeneratorn fick därför ersättas med ett 50 Ω motstånd och den befintliga signalgeneratorn anslöts till elnätsidan (filtrets sekundärsida) precis som i simuleringen. Impedansen kunde sedan bestämmas genom att mäta upp spänningen och strömmen. För strömmätningarna användes strömproben som tidigare nämnts. 3.2 Mätningar på filter 1 På låga frekvenser < 10 khz visar det sig att transformatorn fungerar otillfredsställande. Sinussignalen från tongeneratorn blir deformerad vid utgången av filtret. Detta är ett genomgående problem i filtret oavsett belastning. Dock är det mer märkbart vid en lägre impedans på utgången. Det betyder att filtret i praktiken är oanvändbart vid lägre frekvenser än 10kHz. Värdena för frekvensgången vid dessa lägre frekvenser kan därför vara något osäkra i resultaten. Detta är mest synligt vid lägre impedans. Transformatorn är mest troligt konstruerad enbart för de lite högre frekvenserna. Över 10 khz fungerar transformatorn tillfredsställande i filtret. Simuleringarna av filtrets frekvensgång och de praktiska mätningarna av frekvensgången ger resultat som är relativt likvärdiga i en jämförelse vid impedansen 10, 100 och 1000 Ω och frekvens > 10 khz. 27

34 Fig. 3.2: Filter 1 frekvensgång med 1 kω impedans Fig. 3.3: Filter 1 - frekvensgång med 100 Ω impedans 28

35 Fig. 3.4: Filter 1 - frekvensgång med 50 Ω impedans Fig. 3.5: Filter 1 frekvensgång med 10,4 Ω impedans Mätningen vid 2,4 Ω impedans (se Fig. 3.5) på elnätsidan gjordes för att ha en referensimpedans som är låg. Dettta eftersom det är möjligt med så låga impedanser eller lägre än så i elnätet i praktiken. Det var den lägsta impedans som var möjlig att göra tester med eftersom den last som användes har en begränsad strömtålighet och detsamma gäller tongeneratorns kapacitet. Det visar sig att skillnaden mellan 10,4 Ω och 2,4 Ω inte är så stor när det gäller frekvensgången. Däremot 29

36 blir dämpningen vid låga frekvenser så hög att spänningen på utgången blir mycket liten vid de lägre frekvenserna. Det krävs därför en mycket hög spänning (uteffekt) från förstärkaren när impedansen på elnätet är liten om det skall räcka till för att skicka ut en signal som är nog stor för att vara användbar. Mätnogrannheten i oscilloskopet är heller inte tillräcklig för att ge ett rättvisande resultat under 10 khz. Fig. 3.6: Filter 1 frekvensgång med 2,4 Ω impedans Frekvensgången med elnätet inkopplat ger ett annorlunda utseende på grafen Fig. 3.6 som inte är direkt jämförbart med tidigare mätningar. Detta beror på den varierande impedans som elnätet har vid olika frekvenser, se avsnitt 4. Som en jämförelse har simuleringar gjorts vid dessa frekvenser och impedanser Fig 3.7. Om dessa två diagram jämförs så kan det utläsas en skillnad mellan insignal och utsignal som blir väldigt liten precis vid där impedansen har en topp, se Fig. 4.1 i avsnitt 4. Här stämmer inte frekvensgången med de mätningar som gjordes på filtren utan inkopplat elnät. En förklaring till detta fenomen är mest troligt en resonans mellan filtrets komponenter och kapacitiva eller induktiva komponenter på elnätssidan. Det är svårt att undvika sådana toppar eftersom de komponenter som finns i elnätet kan ändras från en tidpunkt till nästa. Det kan också skilja mycket mellan olika inkopplingspunkter i elnätet. 30

37 Fig. 3.7: Filter 1 Uppmätt frekvensgång Fig. 3.8: Filter 1 Simulerad frekvensgång För filter 1 blir impedansen lägre än den simulerade vid frekvenser under 10 khz, se Fig Det kan bero på mätonogrannhet eller en skillnad i modellen för transformatorn och komponenterna och 31

38 de verkliga komponenterna vid dessa frekvenser. Vid frekvenser över 10 khz stämmer dock simuleringen och mätningen mycket väl överrens. Fig. 3.9: Impedansmätning filter 1 Ett antal mätningar gjorde också vid frekvensen 50 Hz för att se hur filtrets impedans blir vid elnätfrekvensen. Mätningarna gjordes vid 50 till 250 V, 50 Hz. Spänningen samt strömmen genom filtret mättes upp och därefter räknades impedansen ut. Impedansen enligt simulering blir 96,5 kω för filter 1. De praktiska mätningarna blev något missvisande då oscilloskopet hade problem med de mycket små värden som strömproben som användes lämnade när strömmen var låg. Strömproben visar 0,1 V/A och vid 50 V-50 Hz blev probens spänning bara 150 µv. Det är det lägsta värde oscilloskopet kan visa. I och med detta redovisas impedansen för 200 V och uppåt för detta filter där noggrannheten är bättre. Mätvärden på filtrets impedans för filter 1: 200 V 88 kω 230 V 82 kω 250 V 83 kω 32

39 3.3 Mätningar på filter 4 Fig. 3.10: Filter 4 i de praktiska mätningarna. Mätningarna på filter 4 gjordes på precis samma sätt som för filter 1. Frekvensgången för filter 4 stämmer också väl överrens med de simuleringar som gjorts. Dock blir det en liten topp vid frekvenser mellan 80 och 150 khz vid de lägre impedanserna Fig och Fig

40 Fig. 3.11: Filter 4 frekvensgång med 1 kω impedans Fig. 3.12: Filter 4 frekvensgång med 100 Ω impedans 34

41 Fig. 3.13: Filter 4 frekvensgång med 50 Ω impedans Fig. 3.14: Filter 4 frekvensgång med 10,4 Ω impedans 35

42 Fig. 3.15: Filter 4 frekvensgång med 2,4 Ω impedans Vid mättillfället skiljde det mer i frekvensgång för filter 4 än för filter 1 om man jämför graferna för uppmätt och simulerad frekvensgång Fig och Fig Det betyder ett större område med resonans där uppmätt värde skiljer sig åt från det simulerade. Fig. 3.16: Filter 4 Uppmätt frekvensgång 36

43 Fig. 3.17: Filter 4 Simulerad frekvensgång För filter 4 överresstämmer simuleringen och verkliga mätningarna väl, se Fig Det som kan utläsas av mätningarna är att filtret har en genomgående låg impedans. Det beror till stor del på den 10 gånger större kondensatorn som används vid filtrets utgång jämfört med filter 1. 37

44 Fig. 3.18: Impedansmätning filter 4 Mätningarna av filtrets impedans i 50 Hz visade sig stämma väl överrens med simulerat resultat. Detta eftersom strömmen var högre och oscilloskopet då kunde visa ett mer noggrannt värde. Simulerat värde på impedansen enligt PSpice blir 9,6 kω i 50 Hz. Mätvärden på filtrets impedans för filter 4: 50 V 10,5 kω 100 V 10,8 kω 150 V 10,9 kω 200 V 11 kω 230 V 11 kω 250 V 10,9 kω 38

45 3.4 Mätning av transformatorns bottningsspänning Transformatorns egenskaper är viktiga att känna till när filtrets egenskaper skall mätas upp. Den kan ha olika egenskaper beroende på frekvens och spänningsnivå. De praktiska mätningar som gjorts på filtren visar en förvrängd utsignal när frekvensen ligger mellan 3 khz och 10 khz och spänningen på insignalen är 10 V. Detta tyder på att transformatorn bottnar vid kombinationen av relativt låg frekvens och relativt hög ström. Den praktiska betydelsen av denna upptäckt är att samtliga filter i praktiken är olämpliga att använda vid lägre frekvenser än 10 khz. Eftersom en del av elnätets 50 Hz komponent tar sig bakvägen genom filtret och teoretiskt kan göra att transformatorn bottnar så har en del tester genomförts på en av de transformatorer som används. Den första mätningen gjordes vid en frekvens på 50 Hz och en spänning som varierades mellan 0 och 5 V direkt över transformatorns primärsida. Resultatet var svårt att tyda då i stor sett ingen utsignal kunde avläsas på sekundärsidan. Samma typ av mätning gjordes därefter vid högre frekvenser, 100 Hz till 10 khz. Vid frekvenser under 1000 Hz blir resultatet svårtydligt medan de högre frekvenserna visar på en förvrängd utsignal när spänningen över primärsidan ökas. När en signal ska anses vara tillräckligt förvrängd för att vara oanvändbar är en avvägning beroende på användningsområde. Det går därför inte att ange en specifik punkt i detta fall. En förklaring till mätningen med 50 Hz kan vara att transformatorn är konstruerad att enbart fungera med högre frekvenser och släpper därför inte igenom denna låga frekvens. 50 Hz komponenten blir då inget problem när det gäller bottning av transformatorn. Impedansen vid frekvensen 50 Hz på primärlindningen (~1 mh) blir: m 0,3 Ω Det betyder att spänningen över transformatorn blir mycket liten när andra komponenter såsom resistans och kapacitans också tas med i beräkningen. Det är ytterligare en indikation på transformatorns lågfrekvensegenskaper. 39

46 4 Mätningar av elnätets impedans 4.1 Tillvägagångssätt för att mäta nätimpedansen Elnätet är komplext och det är svårt att förutsäga den impedans som finns med utgångsläge från en viss plats och en specifik tidpunkt. Det kan ha flera orsaker. Ett exempel på bidragande orsak kan vara transformatorer till hemelektronik som finns i de flesta apparater för att transformera ner spänningen. Ett annat exempel är lågenergilampor. Båda dessa bidrar med en impedans som varierar med tiden beroende på antal inkopplade enheter och den belastning varje enhet för tillfället har. Impedansen kan vara både kapacitiv och induktiv beroende på vilka komponenter som använts. Om en signal med en viss frekvens skickas in mot elnätet så bidrar dessa komponenter till en viss impedans vid denna frekvens sett från den punkt där frekvenskomponenten skickas in. Om frekvenskomponenten är varierande med tiden så kommer även impedansen att vara det på grund av att impedansen inte är rent resistiv. Allt detta gör en komplex impedans som ändras vid varje tidpunkt. En artikel i detta ämne [11] beskriver elnätets impedans och mätningar har gjorts på olika platser och med olika förutsättningar. Resultaten visar att impedansen i elnätet kan variera en hel del men är oftast högre desto högre frekvensen är. Impedansen ligger till största delen i området 1 till 10 ohm men kan också vara något lägre och i vissa fall upp emot nära 100 Ω. I vissa fall kan resonans göra att impedansen ändras ganska kraftigt med tiden. Mätningarna är gjorda upp till ca 10 khz och i några fall något högre (<40 khz). Det diagram som finns i artikeln visar en ökande impedans med ökad frekvens så impedansen bör ligga i storleksordningen 1 till 10 ohm vid 3 khz och 10 till 100 Ω vid 150 khz. En uppskattning av nätimpedansen vid en viss frekvens kan göras genom att koppla en last till elnätet. Lasten kan vara ett signalfilter med en ansluten signalgenerator. Därefter mäts spänning samt ström vid lastens anslutning till elnätet och därefter räknas impedansen ut. Det är viktigt att både strömmen och spänningen mäts upp vid den frekvens som man är intresserad av så ett oscilloskop är bra att ha tillgängligt. 4.2 Praktiska mätningar Mätningarna av elnätets impedans gjordes i ett labbnät med få inkopplade störkällor. Det kan därför sägas vara idealt. Resultatet av mätningarna visar i samtliga fall en nätimpedans som varierar ganska kraftigt genom det uppmätta området, Fig Generellt kan sägas att impedansen är låg vid lägre frekvenser för att sedan öka och får en topp vid 90 khz. Däröver sjunker impedansen igen. 40

47 Fig. 4.1: Elnätets impedans uppmätt med filter 1 Elnätets impedans (Fig. 4.2) är formad på samma sätt som i mätningen med filter 1 men med något lägre värden. Eftersom mätningarna inte är gjorda vid samma tillfälle så är det svårt att säga säkert vad orsaken är. Något kan ha ändrats i nätet mellan de olika tidpunkterna. En annan orsak är den mätonogrannhet som avläsningen av oscilloskopet tillför eftersom det är svårt att avläsa exakt. Mest troligt utgör dessa två orsaker sammantaget skillnaden mellan Fig. 4.1 och Fig Fig. 4.2: Elnätets impedans uppmätt med filter 4 41

48 5 Resultat och slutsats Mätningarna på filtren utfördes i en specifik nod på elnätet. Det frekvensspann som användes i mätningarna var förutbestämt mellan 3 till 150 khz. Det visade sig dock att 10 khz var den nedre gränsen i praktiken för de filter som konstruerades. Det beror delvis på den valda transformatorn som inte fungerar tillfredsställande under denna frekvens. Det beror också på att de filter som konstruerats har en respons som vid frekvenser under 10 khz är låg. Eftersom rapporten i huvudsak avhandlat filter 1 och 4 så jämförs dessa sinsemellan. Mätningarna av nätets impedans visar på en låg impedans i de flesta fall (under 200 Ω). Det är därför viktigt att ett användbart filter för hela frekvensspannet är någorlunda jämt i sin respons vid en låg impedans. Det verkar inte som om någon betydande del av 50 Hz komponenten passerar bakvägen genom filtret vilket skulle kunna förstöra både filter och kommunikationsutrustning såsom signalgenerator. Den första simuleringen och mätningen visar att filter 4 har en betydligt jämnare respons än filter 1. Det gäller i det ideala fallet med en resistans som simulering av elnätets impedans. När elnätet kopplats in blir resultatet mer komplext. Inte minst med tanke på de komponenter i elnätet som ger resonans med filtrets komponenter. Med filter 4 och den aktuella inkopplingspunkt som användes blev denna resonans tydlig över ett större frekvensområde än med filter 1. Det bör dock åter nämnas att det kan bli ett helt annat resultat om inkopplingspunkten och nätets belastning är annorlunda. Impedansmätningarna kan ge en fingervisning om i vilket område impedansen kan ligga. Dock är det troligt att impedansen kan vara betydligt lägre när ett flertal olika apparater är anslutna till samma fas i den nod i elnätet som används. Syftet med impedansmätningarna är att visa att elnätets impedans går att mäta och därigenom ge en introduktion till fortsatta tester och studier. Filtrens impedans visade sig variera en del med frekvensen. Filter 1 har en ganska hög impedans vid låga frekvenser och sakta avtagande med frekvensen. Filter 4 däremot har en mycket låg impedans genom hela frekvensspannet. Den lägre impedansen kan utgöra ett problem ifall höga spänningsspikar med hög frekvens finns ute på elnätet. Mätningar gjordes också vid frekvensen 50 Hz och där har båda filtren en hög impedans vilket utgör ett bra skydd för filtret. Filter 1 fick en skillnad i impedansen vid denna frekvens vid olika spänningsnivåer men det beror mest troligt på oscilloskopets onoggrannhet vid den mycket låga ström som passerar filtret. Filter 4 visar en jämn impedans oavsett spänningsnivå och det förklaras med en något högre nivå på strömmen och därmed också mer noggranna siffror. Utifrån resultaten blir slutsatsen att filter 4 är det bäst anpassade för elnätets låga impedans. Den förbättring som kan göras i en framtida utredning är att öka värdet på den kondensator som sitter närmast elnätet. Det måste dock bli en avvägning för att inte släppa igenom för mycket av 50 Hz komponenten eller dess övertoner in i filtret. De konstruerade filtren är enbart tänkta att användas på en fas. Om alla tre faser skall användas behövs tre likadana filter. Alternativet kan vara att bygga ett speciellt framtaget filter för ett trefassystem. 42

49 6 Källförteckning [1] R. Lund (1988). Svensk elhistoria Nordstedts tryckeri. ISBN [2] Wikipedia, Mains electricity: [3] European standard (July 2001). Signalling on low-voltage electrical installations in the frequency range 3 khz to 148,5 khz. Ref. no. EN :2001 E [4] A. Larsson (2006), High Frequency Distortion In Power Grids due to Electronic Equipment ISSN: [5] Rönnberg S. K, Lundmark, C. M, Wahlberg M, Andersson M, Larsson A, Bollen M. H. J, Attenuation and noise level potential problems with communication via the power grid, CIRED 2007 [6] Rönnberg S. K, Wahlberg M, Bollen M. H. J, Lundmark C. M, Equipment currents in the frequency range 9-95 khz, measured in a realistic environment, ICHQP 2008 [7] Rönnberg S. K, Wahlberg M, Bollen M. H. J, Larsson A, Lundmark C. M, Measurments of interaction between equipment in the frequency range 9 to 95 khz, CIRED 2009 [8] S. Rönnberg. Cired 2007 Session 6. Paper no Attenuation and noise level - Potential problems with communication via the power grid ronnberg_cired_1.pdf [9] Echelon s document: PL 3120 /PL 3150 /PL 3170 Power Line Smart Transceiver Data Book B. [10] Wikipedia, Galvanic isolation: [11] R Gretsch, M Neubauer. ETEP Vol.8 No.5 September/October System Impedances and Background Noise in the Frequency Range 2 khz to 9 khz 43